JPS6237718A - バンドギヤツプ基準回路 - Google Patents

バンドギヤツプ基準回路

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JPS6237718A
JPS6237718A JP61026035A JP2603586A JPS6237718A JP S6237718 A JPS6237718 A JP S6237718A JP 61026035 A JP61026035 A JP 61026035A JP 2603586 A JP2603586 A JP 2603586A JP S6237718 A JPS6237718 A JP S6237718A
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/30Regulators using the difference between the base-emitter voltages of two bipolar transistors operating at different current densities
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はバンドギヤyプ型の基準回路に関する。この
ような回路は一般に、電圧基準として使用されるが他の
用途1例えばしきい検出器にも使用される。本発明は特
に、CMO8集積回路(IC)チップについて使用に適
するバンドギャップ回路に関する。
バンドギャップ電圧調整器は長年、温度が変化しても実
質的に一定である基準電圧を現出するため使用されてい
る。このような回路は一般に、異なる電流密度で作動す
る2つのトランジスタのベース・エミッタ電圧(Δ■B
E )間の差に比例する電圧を現出する。この電圧は正
の温度係数(TC)を有し、負のTCを有するVゆ電圧
と結合して、温度変化によりわずかたけ変化する出力信
号を得る。再発行特許RE第30.586号(ニー・ビ
ー・プロカラ)は、トランジスタが2つだけ必要な特に
有利なバンドギャップ電圧基準を例示している。
バンドギャップ基準回路は主として、双極工Cに採用さ
れている。このような基準をCMO8ICに適用させる
試みがなされているがなお大きな問題がある。その結果
、 CMO8用に提案された装置には重大な欠点、特に
かなりの複雑性を有する。
重大な問題の1つと]−て、Δ■1電圧はかなり低い(
例えば、100mV以下)ので、がなり増幅して基準目
的に適する値にしなければならない。Δ■BE信号が2
つのトランジスタのコレクタから得られるため、このよ
うな増幅は上記特許第30.586号に示すようにバン
ドギャップ回路につきものである。しかし、普通のプロ
セスにより得られろCMOSチップにおいて、電圧基準
目的にだいする双極トランジスタは、コレクタが電圧感
知目的を独立して果せない非励振トランジスタである。
そのため、このような装置では。
ΔVBI!、電圧は、これを現出するトランジスタによ
って自動的には増幅されない。
さらにまた、  CMOSチップ上のMO8増幅器に比
較的大きいオフセント電圧を有するので、増幅後のオフ
セットは△VBg信号成分と比較して大きなエラーとし
て現われる。例えば、約5ボルトの基準電圧を現出する
には、増幅器(または比較器)の20 mVのオフセッ
トでは出力またはしきいについて0,5ポルトエラーと
して現われる。
種々の補償配慮を含み、この問題を解決するための提案
がなされている、しかし、それら装置は複雑すぎて問題
点を十分に満足させる解決とはならない。
以下説明する本発明の実施例において、2つのトランジ
スタは異なる電流密度で作動されてΔV□信号を発生す
る。この信号はトランジスタのエミッタ回路で検出され
る。抵抗ストリング乗算回路が両トランジスタのベース
に接続される。これはVB!電圧だけでなくΔVB、信
号も乗算する。この構成により、 CMOSチップに使
用されるきわめて簡単な回路で400 mV以上の有効
ΔVBEを発生することができる。
本発明の他の目的、態様および利益の一部は。
添付図面についての下記実施例の説明より明らかとなる
まず第1図において、しきい検出器は異なる電流密度で
作動される1対のトランジスタQ+。
Q2を備えている。その目的のため、トランジスタ・エ
ミッタ区域は一定比(na:a)で不等である。トラン
ジスタのコレクタは供給路VDDに直結され、エミッタ
は夫々抵抗回路R5とR6,R。
を介し共通部に接続される。
トランジスタQh 、Q2のベースは各トランジスタの
コレクタとエミッタとの間の夫々抵抗ストリングR4/
R5,R,/R2に接続され、R1とR2の比はR5と
R4の比に調和されている。このような抵抗構成により
周知の仕方で抵抗値の比に比例するVB、!、乗算を行
う。例えば、■B、2が抵抗R1にかか!1)(Q2の
ベース電流が犬きくないとすれば)。
R2にかかる電圧は(R2/R1) ■BE2となる。
従って、R1の上部から02のエミッタへの電圧合計は
(i +1(2/R+ ) (VBK2)またはNVB
o2となり。
Nは1+R2/RTとする。同様に。R4の上部からQ
lのエミッタへの電圧はVBP、+のN倍となる。しか
し、今述べた電圧はQ2での対応電圧とは異なる。すな
わちQlが異なる電流密度で作動し、設計センター条件
で差VB、’を有するからである。
回路値が正しく選択されかつ予想される全温度および電
流範囲にわたり対数Vゆ性能を保持するトランジスタを
使用すると、この回路は点X−Y間に、電源電圧VDD
が一定電圧VTに達するとゼロを通る差電圧を発生する
。voDを査以上に増加するとX−Yは正となり、減少
さ仕るとX−Yは負となる。比較器を点χ−Yに接続す
ることによって1回路は有効しきい検出器となる。さら
にまた、しきい設定値VTは温度変化により実質的に影
響をうけない。
回路値の選択は次の手順で行う。
V、   V、乞選ぶ(■9.で検出される電圧)■o
■oを定める(使用される実際の装置の有効バンドギャ
ップ電圧)(これはO″Kに推定される呼称温度勾配に
より定ま る) N   N−VT/■oを計算する 121□を選ぶ(Vl)D=■アで設計センタ一温度に
おけろQ2の呼称作動電流) 11   設計中心条件でのR,、R2ストリング(ベ
ース電流は無視)中の電流を選ぶ VBll!OVI]uを定める(設計センターの12に
よりバイアスされたときのQ2に存在する呼称ベースエ
ミッタ電圧)(コレクタ ベース電圧は約(N手段)Vゆ。である)JRJR= 
J2/J、を選ぶ(Q2とQ1間に維持される実際電流
密度比) IRb = iz / iQ+を選ぶ(Q2とQ、に維
持される電流比) (IRとJRの暗黙はna:n。
装置のエミッタエリア比) すると、 R+ = VBKO/i+ R2=(N 手段) R+ R5=(VT  NV、1zo)/(iz+i+)R4
=  工RR2 1(5=  IRR。
R7= (AR1) R6 R,、R2ストリングに選ばれた電流はベース電とβに
よるエラーに係る。R5の定在電流が小さければ小さい
ほど、R2において実際ベース電流の効果は犬きくなる
。このエラーは補償できるが、エラーが小さいほど、補
償後の残余は少なくなる。
R,/R2ストリングのバイアスはエミッタQ2に現わ
れ、普通バンドギャップトランジスタに流れろPTAT
電流を乱す。普通の回路では、トランジスタの電流は全
エミッタ・抵抗(R3) IE流どなる。この回路にお
いて、R1の電流もR5に流入する。その結果、Qlの
エミッタでの電圧が共通部にだいし絶対温度に比例(P
TAT)していれば、 Qlの電流はPTA、Tとはな
らない。これを処理するにks+  Q2エミッタにた
いするドライブのセベニン当量(第4図参照)を、  
vanに比例する電圧としてQlなしで計算し、 R3
/(R,十R2+工(5)とソース・インピーダンス(
R+十R2) Rs/(R,+R2+R,)で計ればよ
い。この回路において、R5にかかる電圧はほぼPTA
T L、 、 Qlのエミッタ電流は絶対温度のやや″
より大きい“関数である。
11が一度選択されると、R1はR+ = ”BED/
 j4で表わされ、ここでVBItOk”L設計センタ
で想定される温度とエミッタ電流条件でのQlの呼称値
である。つぎにI VBEB1乗算係数法定は以下述べ
る原則による。
ベース・エミッタ電圧かつぎのように決定されることは
周知である。
VBE = vo。−(Voo −VBKO) T/T
o 手段−(kT// ) in V’r、0+(mK
T/Q ) 1 n T */T分析目的では、電流依
存条件を無視して、■、3゜をVoo  (VGOVB
KO) T/Toと等しく設定するのがよい。従ってV
Bl、成分は、T=0ケルビンのときV。0(推定バン
ドギャップ電圧)の値までの温度降下により上る。この
VBl2の挙動を推定すると、R1にかかる電圧は0で
V。0となり−vDDからQ2エミッタへの電圧はNV
GQとなる(ここでN=1+ R2/ R+である)。
VDDを設計センタで所望のVTと等しくシ、N= v
r/Vooにすると、 QlのエミッタはOケルビンで
0ポルトとなる。(ここで、voはl VBF、の温度
挙動をほぼ室温に直線化E〜た。特定のトランジスタ特
性の馬。値を表わす。)トランジスタ電流は温度に比例
するが、正温度にたいしオフセットしている。すなわち
、第3図の室温からの推定が示すようにQlのエミッタ
電圧が低温で作用すれば、電流はゼロとなり、エミッタ
電圧が開回路電圧と交叉すると逆になる。この状態にお
けろ温度はオフセットである。オフセントよりかなり高
い湿度では、エミッタ電流はPTATよりやや早く上昇
する。Nは、Q2エミッタ電圧の挙動が第3図に示すよ
うになるよう選択される。
Q、の電流はQlの電流の一定端数に保持される。この
ことは満足すべき作動には必要でないが、簡単化分析が
許容されるようにaB]i、を直線化する。
Qlの電流密度YChの電流密度の一定の端数とすると
、Qlのエミッタ電圧も0ケルビンでゼロに推定でき、
そのベース回路のN係数を同じにする。他の任意な温度
で、Q+の推定エミッタ電圧は、Qlの電流密度が小さ
いためQlよりも高くなる。Q、エミッタの電圧は分圧
器R6,R,により分取されてQ2エミッタ電圧と等し
い電圧を発生する。エミッタの電圧は(’DD −VT
の場合)PTATであるから、Q1エミッタ電圧の一定
端数&L Q2エミッタ電圧と等しくなる。
しかし、vつわ が馬から変化する場合、これら電圧は
同等のままではない。例えば、トランジスタはやや* 
 VDD により駆動されるエミッタ・ファロアのよう
に作用するので、Vゆが少し上昇スれば2つのエミッタ
電圧はほとんど単一利得でVT)Dに従うことを考えれ
ば分る。従って。
2つのエミッタの電圧変化はほぼ等しい。しかし、Yの
電圧多化は分圧器F(6,R,により減すいされる。そ
れで、VDDが上昇すれば、Xの電圧よりも上昇する。
Nが決定されれば、 R2に! (N手段)R,として
容易に計算される。さらにまた+ Qlのエミッタ電圧
は設計センタでVT−NVB2゜となり、R3の電流ス
Q2のエミッタ電流に加えR1からの単なる電流となる
。この比によりR5の値が得られる。
これら6つの抵抗が分れば、セベニン当量は第4図に示
すように計算される。開回路電圧(第3図参照)■2は
VT R5/ (R+ + R2+ R5)となり、ソ
ース抵抗式2は(R,+R2)R4/ (R+ 十R2
+R3)となる。対応温度T1は、電圧が全く降下した
と推定される場合、Qlのエミッタ電流がゼロに降下す
る温度である。より高温では、エミッタ電流は温度(絶
対湿度ではない)に比例して上昇する。Qlの電流が比
例する場合も、T、でゼロに降下すべきである。Qlは
(iがゼロになる限度で)異なる電流密度で作動するか
ら、 Q+のエミッタの電圧はQ2のものとは異なる。
この電圧を得るには1両エミッタ電圧がPTATである
ことを示す第6図を参照すればよい。すなわち、エミッ
タ電圧は定数α= N (■Q −”BEO)lroだ
げ温度に比例する。温度T1で、電圧は丁度αT1であ
るのでV1/v2比は丁度α1/α2比である。
下付きQ数字を使用すると; α1/α2=(N(VG VBz+o )/To )N
(Vo−VBg2a)/To)= (Vo −VB++
+o )/(VG VBK2Q )エミッタ電流の比は
一定に保持され1面積比は。
電流密度比JRも一定になるように一定のままである。
その結果、すべての温度で ■Bz+ = VBzz  (kT/J’ ) ’nJ
Rそれで、α′の比であるARは次式で示される:AR
=α、/α2 = 1 + (kT/J’)1nJR/
(VoVBEO)ここで■BEOは■BE20と代わる
そこで、ヌーARV2.すなわち、  Qhのエミッタ
での開回路電圧ばQ2のエミッタのAR倍とすべきであ
る。
T1以上の温IiTでのQlの実際電流はα+(T−T
+)/Rg+で表わされ、ここでI(K、は、α2(T
−”I)/RK2で表わされるQ2のように1等価ソー
ス抵抗である。
一定エミッタ面積比で+ JR定数を維持するには、エ
ミッタ電流比は一定でなければならない。
従って。
α1(T T1) IR/REI =α2 (T −T
+ )/ RE2およびn、 = IR(α1/α2 
) RE2= IRARR182第4図は、所望のセベ
ニン当量より分圧器の抵抗値を導出する式を含む。所望
の■2をkとしRKjをR8とすると−RB = (R
a + Rs )と迅=(R,s+R7)は次のように
なる: HB: R,■T/ V。
ココ’t’l  R,、= IRARR,、、とV、=
ARV2であるから RB = IRRIC2”T/ ■2  である。
第4図の式をR1とR2に適用することによシ。
R1+ R2= RE2 VT/ V2  およびRB
=IR(R1+R2) となる。
R5とR4間の比は、R1とR2間のように同じ(N手
段)でなげればならないので。
R4= IRR2,R5= IRR,となる。
Q、のエミッタの抵抗の下半分を得るには、第4図より
式は次のようになる: RB RA二□ T E 所望電圧kにv、=AR■2を代入すると。
RB RA= V〒 となる。
V])D=v7でX−Y=Oのとき、Yの電圧はQ2の
エミッタ電圧と等しくなければならない。これは+ R
6十R7= RAに現われる電圧がR6の電圧のAR倍
であることを意味するが、または。
RA=ARR6 上記と組合せると。
となる。
馬に上記決定値を代入するとVT/■2となる抵抗とな
る。
最後に。
RA=R6+R7=ARR6 であるから。
R7=(AR1)R6 となる。
上記分析は、ベース電流のみを無視して、はぼ完了しe
  VBE曲率とIcはオフセット温度に比例する。最
後の2つはかなり小さく、いずれの場合も互いに対向す
る傾向がある。
外部抑制があるのでR1と従属抵抗には大きい値を使用
することが望ましい。この場合、低βトランジスタはし
きいにエラを生ずる。概略的に言えば、R2に流れるQ
2のベース電流は、VTK直接加わる特別の降下を生ず
る。R4の電圧も同様に、β、=β2となる程度にQ、
のベース電流に影響ぞうける。
ベータが整合しない程度まで、さらにしきいオフセット
が生ずる。その理由r、s、  vTyさらに変えるこ
とにより補償しなければならない、又と7間に小さい差
電圧が生ずるためである。
この効果を活用して一次ベース電流エラーを第1次補償
することができる。Qlのベース回路にR8を加えると
エミッタ電圧を特別のNR81b。
だげ降下させる。この降下を平衡させるため。
しきいを回路の“利得“に関する係数だけ下げねばなら
ない、すなわち+ VDDとしてXと7間の電圧の変化
はvTから離れろ。この利得の逆関数は、R41bよと
同等とされるR21b2項と同等にしなければならない
。すなわち。
利得係数Gはほぼ第5図より導出できる。トランジス7
21点XとYを駆動する等価エミッタ・ソース・インピ
ーダンスとして処理することによって、小信号利得は電
圧比より決定できる。右側で+ Q2のエミッタ・イン
ビ・−ダンスはNkT/qiEにより近似させる。この
インピーダンスはR3にだいし作用して、VDD  に
相当するVlnに加えられるX信号で減すいする。それ
らは共通電流エラを共有するから、これらインピーダン
スの比は丁度、夫々電圧降下の比である。左側でIQl
には同様な状態が生ずるが、ここでは平衡点のvin 
’l:さらに減すいするR7に付加的電圧降下があり、
R7にかかる電圧はR6にかかる電圧の丁度AR手段倍
である(合成および事実状態より、それらは同じ電流を
共有する)。
Q+ (V、、c−v、y)/”inそあれば。
R47Nで乗算すると、上記式は既述のR8に示す結果
となる。
例示として示せば、下記の回路値が上記手順により得ら
れた。
R,=   6.68K R2:  19.33K R5==   7.16K R4= 193.3 K Rs  =  66.8 K R6=  76.2 K R7=  16.57K R8==11に ■DD=4,72■ 回路値の計算は、トランジスタが同じベータを有するも
のとして行われたが、トランジスタの電流密度が異なる
と、わずかに異なるベータとなる。この差および他の因
子により、最適な回路値、たとえば回路シュミレーショ
ンにより定まる回路値は上記の値とはいく分異なる。
本発明の他の実施例が第2図に示されている。
ここで第1図の回路は閉ループ作動して特別の基準電圧
を検出するよりはむしろ安定させる。
この目的のため、入力を出力端子X−Yに接続した増幅
器が設けられる。差が増幅されて、被安定化電圧である
VRxF電路に印加される。この増幅器は−VREFが
駆動されてX−Y′l王差を少なくするように負フィー
ドバックとして接続される。
トランジスタ・コレクタが戻る電圧V。はVREFとは
別である。この電圧は正、負、またはVREFと同じで
(2つのトランジスタにとって異なることさえある)。
コレクタが中立していることは重要な利点である。
CMOSプロセスにおける基板双極トランジスタ(非励
振)を基準回路トランジスタとして採用できるため特に
有利である。回路にはNPN )ランジスタを図示して
いるが、NウェルCMOSプロセスにみられるようなP
NP )ランジスタを使用してもよい。
回路が供給レールをこえる電圧の調整を実際に制御でき
るようにI  ■PIF電路は■。電路をこえて(すな
わち、第2図で正)ノζイアスできる。
この構成は、薄膜抵抗および、■R〜電圧がトランジス
タに印加される前に分圧されることを利用し、X−Y差
電圧に関連する4B、!、倍信号乗算することになる。
この回路は前記提案におけるような問題点はなく、バン
ドギャップの規定多重の使用を制限しない。増幅器は、
ループ電圧を安定化するだけでなく低インピーダンス出
力を得るように+  ■RZ?端子を直接駆動できる。
以上9本発明の好ましい実施例を詳述したが。
これは本発明を例示する目的であって9本発明を限定す
るものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲に照
し本発明の範囲から逸脱しないで種々の変更や変型を容
易になすことができろ。
【図面の簡単な説明】
第1図は、しきい検出に使用される本発明の実施例を示
す回路線図、第2図は、電圧基準として使用される本発
明の他の実施例を示す回路線図、第3図は本発明の詳細
な説明するグラフ。 第4図はセベニン原理にもとず〈等価回路図。 第5図は回路の作動態様を示す他の回路線図である。 Q、 、 Q2・・・トランジスタl  VDD・・・
電源。 R1,R,、、R5,R4、R6,R7・・・抵抗回路
。 R4/R5,R,/R,、・・・抵抗ストリング。 特許出願代理人 弁理士 関 根 秀 太N     
SS   ← 嗜

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)異なる電流密度で作動し温度の関数としてΔV_
    B_E信号を発生する第1および第2トランジスタと;
    各々が前記トランジスタの対応する1つのベースとエミ
    ッタとに接続さえる第1および第2V_B_E乗算回路
    と;前記トランジスタに結合され前記乗算回路により大
    きさが乗算されるΔV_B_E信号を現出する出力端子
    手段とを備えるバンドギャップ基準回路。
  2. (2)前記乗算回路各々は少なくとも2つの直列抵抗を
    備え、その一方は対応トランジスタのベースとエミッタ
    間に接続される、特許請求の範囲第1項に記載の回路。
  3. (3)共通部と夫々トランジスタのエミッタとの間に接
    続される第1および第2抵抗手段を含み、前記抵抗手段
    の一方は、前記2つの抵抗の接合部に前記出力端子手段
    の一方の端子を設定するため分圧器を形成する少なくと
    も2つの抵抗を備える、特許請求の範囲第2項に記載の
    回路。
  4. (4)前記乗算回路各々は、対応トランジスタのベース
    と基準電圧との間に接続される第1抵抗手段と、対応ト
    ランジスタのベースとエミッタとの間に接続される第2
    抵抗手段とを含む、特許請求の範囲第1項に記載の回路
  5. (5)各々が共通電路と対応トランジスタのエミッタと
    の間に接続される第1および第2エミッタ抵抗手段を含
    む、特許請求の範囲第4項に記載の回路。
  6. (6)前記エミッタ抵抗手段の一方は分圧器を形成する
    少なくとも2つの直列抵抗を備え、前記出力端子手段は
    前記2つの直列抵抗間の接合部に1つの端子を有し、前
    記出力端子手段はエミッタ抵抗手段に接続される第2端
    子を有する、特許請求の範囲第5項に記載の回路。
  7. (7)前記乗算回路は電圧基準電路に接続されて電流を
    発生し、さらに、入力を前記出力端子手段に接続されて
    信号を受信する増幅器と、前記増幅器の出力を負フィー
    ドバック状に前記電圧基準電路に接続して前記電路の電
    圧を安定化する手段とを有する、特許請求の範囲第1項
    に記載の回路。
  8. (8)前記乗算回路各々は抵抗ストリングを備え、各ス
    トリングの一端は前記電圧基準電路に接続され、前記ス
    トリングの他端は前記トランジスタの夫々一方のエミッ
    タに接続され、前記各トランジスタのベースは前記抵抗
    ストリングのうち対応ストリングの中間接合部に接続さ
    れる、特許請求の範囲第7項に記載の回路。
  9. (9)共通部と前記トランジスタの一方のエミッタとの
    間に接続される2つの直列抵抗を含み;さらに共通部と
    他方のトランジスタのエミッタとの間に接続される少な
    くとも1つの抵抗を備え、前記増幅器の入力は前記他方
    のトランジスタのエミッタと前記2つの直列抵抗の接合
    部との間に接続される、特許請求の範囲第8項に記載の
    回路。
  10. (10)前記トランジスタのコレクタは、前記基準電路
    の電圧とは異なる電圧に接続される、特許請求の範囲第
    7項に記載の回路。
JP61026035A 1985-02-10 1986-02-10 バンドギヤツプ基準回路 Expired - Lifetime JPH0799490B2 (ja)

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